JPH0793415B2 - 固体エリアイメージセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明はエリアイメージセンサ、特に出力信号一様性
の改善されたセンサに関係している。

従来技術はもとより、この発明は図面を参照して説明さ
れるが、その図面中、 第１図は代表的な従来技術のセンサの一部分を示す概略
図である。

第２図はこの発明により扱われる問題を理解するのに有
効な第１図の一部分に対応する拡大配置図である。

第３図はこの発明によるセンサの一部分を示す拡大配置
図であつて、前述の問題に対する解決策を図解したもの
である。

従来技術に関する説明 代表的な固体センサは行及び列に配列された電荷積分用
ホトサイト（例えば、ホトキヤパシタ，ホトダイオード
など）から構成されている。各ホトサイトにおける単位
時間当りの電荷積分量はそのホトサイトに入射する放射
線の強度に比例する。それゆえ、エリアイメージセンサ
上への場面（シーン）の結像は電荷パケツトの空間分布
を生じることになり、この場合それぞれのパケツトにお
ける電荷の量はフレーム情報の、対応する画素、すなわ
ちピクセル、を表わしている。

エリアイメージセンサの電荷分布が直列線方式、並列線
方式、又はブロツク方式で読み出され得ることは知られ
ている。読出技術の選択はセンサを読み出すのに取られ
る時間と読み出された情報を処理するのに必要とされる
電子チヤネルの数との間の妥協を必要とする。所与の読
出し率に対しては、直列線読出しはただ一つの処理チヤ
ネルで済むけれども最低速の技術である。他方、並列線
読出しは最高速の技術であるが、各センサ線ごとに処理
チヤネルを必要とする。ブロツク方式は実質上妥協にな
る。すなわち、この方式は高速フレームセンサと共に使
用可能な十分な読出し速度（すなわち、2000フレーム毎
秒までのフレーム速度）を与え且つブロツク当たりのセ
ンサ行と同数の処理チヤネルを必要とするにすぎない。

1982年３月30日にジエイムズ・エイ・ビクスビ（James
A.Bixby）の名義で発行された米国特許第4322752号は、
高フレーム速度を得るために固体エリアイメージセンサ
に適用されるブロツク方式技術を開示している。この開
示によれば、センサは、各ブロツクが複数の近接したホ
トサイト行からなつているホトサイトのブロツクにおい
て読み出される。このようにして発生された信号はそれ
ゆえ「直列」方式のブロツク情報からなつており且つ各
ブロツクの情報内容は「並列」方式における複数の線信
号からなつていて、この信号はブロツク内における個個
のホトサイト行に対応している。ブロツク読出しセン
サ、例えばやがて説明されるばずのものは１ブロツクに
対して16行の12ブロツクに配列された192行を含むこと
ができる。

1982年３月30日にテイー・エイチ・リー（T.H.Lee）及
びアール・ピー・コスラ（R.P.Khosla）の名義で発行さ
れた米国特許第4322638号はブロツク読出しエリアイメ
ージセンサを開示している。このセンサはMOSホトキヤ
パシタ配列体を使用しており、各行に対してその行の長
さにわたる読出しチヤネルを備えている。所与の行内の
ホトサイトに蓄積された電荷は列ゲートの制御の下で行
読出しチヤネルへ送り込まれ、これの合成電荷の電位が
検出されて出力信号情報となる。この行出力信号は米国
特許第4322752号に教示されたような適当なブロツクゲ
ートによりブロツクに集成される。

ブロツク方式センサの各素子の一般的な配列についての
認識は、センサチツプの一隅の一部分を概略的に表わし
た第１図を参照すれば得られるであろう。この概略的表
示はセンサの各素子間の相互接続を示しているだけでな
く、センサ基板上の各素子の位置及びセンサ回路相互接
続の経路を概略的に指示している。すなわち、この概略
図はセンサの同じ区分の配置図に酷似している。センサ
は半導体基板10上に製作されており、この基板上に各セ
ンサ素子が付着させられている。このような素子には、
ホトサイト領域12、セレクタゲート領域14,16の母線導
体16ないし46からなるブロツクマトリクス、及び（それ
ぞれが各行に関係している）192の導体の集合があり、
これのうち導体50,52,54,56,58,60,62,64,90が代表的な
ものである。図示されたように、192導体の集合は領域1
4のセレクタゲートを16の母線導体16ないし46に接続し
ている。更に、リード66,68,70,72,74,76によつて代表
的に例示された16の出力リードがあつて、これらはパツ
ド78,80,82,84,86,88が代表的なものとなつている16の
信号出力パツドに接続している。第１図を参照し且つ米
国特許第4322752号の教示事項を思い出せば理解される
ことであろうが、ブロツクマトリクスは16のセンサ行出
力の群を16の母線導体16ないし46に連続的に接続するこ
とによつて形成されている。例えば、第１ブロツクで
は、ホトサイト行は導体（例えば、50,52,54など）によ
つて母線導体（46,44,42など）に接続され、又第２ブロ
ツクの行は別の導体（58,60,62など）によつて同じ母線
導体に接続されている。この手順は192のセンサ行全体
にわたつて続けられて、１集合の母線導体16ないし46に
接続された１ブロツク当り16行の12のブロツクが生じ
る。

いずれかの出力導体又はいずれかの母線導体が、このよ
うなある導体によつて伝送された信号を他の導体によつ
て伝送された信号とは異ならせる電気的特性を持つてい
る場合には、ブロツクマトリクスを形成する方法に起因
して、そのような差は各ブロツクにおいて繰り返し発生
し、これに伴つて、センサにより発生された画像に許容
不能な欠陥（アーテイフアクト）を生じさせることがわ
かるであろう。すなわち、例えば出力リード68,70,72の
信号特性が他の出力リードのものと異なつたとすれば、
センサにより発生される画像においては、リード68,70,
72と関連した画像表示の各線は画像の残りを構成する線
とは異なつた強度のものになるであろう。そのような強
度変化は画像ブロツクに現われて画像に許容不能な「帯
模様（バンデイング）」を生じることになろう。

従来技術のセンサにおける帯模様は第２図を参照するこ
とによつて一層理解することができる。この図は第１図
の太鎖線内に含まれたセンサの物理的配置を図示してい
る。〔各図面において、異なつているが関係のある各素
子は同じ参照文字で識別されているけれども、各図面に
おける対応する各素子はプライム（′）を用いて区別さ
れている。〕察知されることであろうが、このような配
置図は何倍も拡大されたセンサ素子を示している。

192線イメージセンサに対する実際のセンサチツプはわ
ずか0.3″×0.3″の寸法を持つており、センサのような
小寸法及び複雑な幾何学的構造が導体経路及び出力パツ
ド配置におけるセンサ設計の自由度を制限している。そ
の結果として、192のホトサイト行から出力パツドへの
異なつた信号経路は異なつた長さのものとなることがあ
る。例えば、導体64′はこれの隣の導体58′と同じ長さ
ではなく、又出力導体74′は出力導体76′と同じ長さで
はない。導体のこのような非一様性はセンサの幾何学的
構成の全体にわたつて現われている。

センサの製作においては、導体は半導体基板10の上面の
不活性化絶縁表面層上に付着させられた金属リボンであ
る。導体（又はリード）はそれゆえ各センサ素子を接続
するのに役立つばかりでなく、又平行平板コンデンサの
一部分を形成する。すなわち、導体が一方の極板として
役立ち、半導体基板が他方の極板として役立ち、且つ絶
縁表面層が電極間誘電体として作用する。そのようなコ
ンデンサは のキヤパシタンスを持つている。ここでεは表面層の誘
電率、ｄは表面層の厚さ、Ａは極板の面積、すなわち導
体自体の面積である。第２図に見られるように、導体は
一定の幅（ｗ）であり、従つて導体のそれぞれの面積
（ｌを導体の長さに対応するものとして、Ａ＝wl）はす
べて異なつており、各導体に関係したキヤパシタンスも
又それゆえすべて異なつている。前に説明したように、
各ホトサイトにおいて積分された電荷は行読出しチヤネ
ルへ送り出される。各読出しチヤネルに存在する出力キ
ヤパシタンスは読出しチヤネルのキヤパシタンス自体
に、読出しチヤネルを信号出力パツドに接続する各導体
のすべてのキヤパシタンスを加えたものからなつてい
る。ホトサイト配列体及びゲートセレクタ配列体は各行
とも且つ又各ホトサイトとも一様であるので、読出しチ
ヤネルによつて駆動される任意のキヤパシタンスにおけ
る変化は、ほとんど全く、そのようなチヤネルと関係し
た導体キヤパシタンスの寄与分に起因する。ホトサイト
からの電荷が行読出しチヤネルへ送り出されたときには
そのチヤネルの電位は になる。但し、ｑは電荷の量であり、且つｃは読出しチ
ヤネルによつて駆動される全容量である。各ホトサイト
において等量の電荷が発生するものと仮定して、センサ
を一様に照射すれば、各チャネルにより駆動される全キ
ヤパシタンスに依存して各センサ行からの電圧出力が変
化することになる。それゆえ、キヤパシタンス変化のた
めに、センサを利用するシステムにより再現される場面
に帯模様が生じることになるであろう。

ブロツク読出し形センサを用いたカメラにおいては、キ
ヤパシタンス変化の前述の問題を補償するために並列接
続のブロツクの各行に対して個別の調整が通常行われ
る。この発明はセンサ基板上の信号導体キヤパシタンス
を等しくすることによつてそのような問題を解決すると
共に、キヤパシタンス変化の行ごとの補正の必要性をな
くする。

発明の要約 読出しチヤネルにより駆動される信号導体キヤパシタン
スがセンサ配置設計において直接制御されていない従来
技術のセンサとは異なり、この発明はすべての読出しチ
ヤネルに対して同一の導体キヤパシタンスを与える。こ
れは、そのような導体の長さ及び幅を調整してそれらが
すべて、読出しチヤネルから出力パツドまで、等しい面
積を占め、従つてそのような読出しチヤネルに等しい容
量性負荷を与えるようにすることによつて達成される。
現在採択されたように、この発明は更に、等キヤパシタ
ンス信号導体を成端するセンサチツプ上の個別の集積化
緩衝増幅器の製作を教示している。各緩衝増幅器はその
関係したセンサ出力パツドを駆動し、その際に信号導体
キヤパシタンスを外部回路による付加的な容量性負荷接
続の影響から隔離する。

発明の説明 前述の問題に対する解決策は、この発明によるセンサ配
置が図解されている第３図を参照すれば理解されるであ
ろう。この発明はその一実施例において、母線導体22″
との接続部を通り越して導体90″を延長とすること（点
彩参照）を教示しているが、これは母線導体22′と接続
する先切り形の導体90′（第２図）とは対照的である。
同様に、母線導体22″は導体90″との接合部で先切りさ
れておらず、センサの最初の行から最後の行まで配列体
を横切つて延ばされている（やはり点彩参照）。ブロツ
クマトリクスを構成するすべての導体は両方向にそのよ
うに延ばされている。そのような導体延長の結果は、導
体の長さ、従つて導体配列全体にわたる導体キヤパシタ
ンスを「正規化する」ことである。ブロツクマトリクス
内では任意の導体、例えば90″に対して、導体90″及び
これの関係した母線導体22″により寄与されるキヤパシ
タンスは他の任意の導体、例えば50とこれの母線導体4
0″のキヤパシタンスに等しい。それゆえ、配列体の読
出しチヤネルにより駆動されるキヤパシタンス間の不平
衡は単にブロツクマトリクスから信号出力パツドに至る
出力リードに起因する。そのような不平衡キヤパシタン
スを一致させるためにそのような出力リードによつて占
められる面積も又等しくされる。第３図から且つ又代表
的な出力リード72″及び76″の考察により察知されるよ
うに、この発明の更なる教示事項は、それぞれの所与の
出力リードの幅を特別に製作して等面積要件を満たすよ
うにすることである。すなわち、リード72″はリード7
6″よりも長いので、リード72″をリード76″よりも狭
くして、これによりリード72″,76″の両面積を等しく
する。

前述のようにセンサのキヤパシタンスを正規化した後、
この発明は更に、そのような正規化キヤパシタンスをオ
フチツプ回路との接続による付加的な容量性負荷から隔
離することを教示している。増幅器、例えば92及び94は
集積回路技術によつてセンサ基板上に製作され且つそれ
ぞれの出力リード72″及び76″を成端している。増幅器
92及び94はこれらの関係した出力パツド86″及び88″を
駆動し、又既述の隔離を与えるのに役立つ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導体の一体的ブロックマトリクスが固体エ
   リアイメージセンサのブロック読出しのために配置され
   ている形式の固体エリアイメージセンサにおいて、前記
   のブロックマトリクスの導体−基板間キャパシタンスを
   正規化するための手段を備えていることを特徴とする固
   体エリアイメージセンサ。
2. 【請求項２】a.前記のブロックマトリクスの読出しのた
   めに、このブロックマトリクスとそれぞれ関係した出力
   リード、及び b.前記の出力リードと関係したリード−基板間キャパシ
   タンスを正規化して、これにより前記の出力リードと関
   係した容量性付加が一様になるようにするための前記の
   固体エリアイメージセンサと一体的な手段、 を更に備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に
   記載の固体エリアイメージセンサ。
3. 【請求項３】前記の出力リードが実質上同じ面積のもの
   であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の固体
   エリアイメージセンサ。
4. 【請求項４】前記のブロックマトリクスを構成する導体
   が実質上同じ面積のものであることを特徴とする請求の
   範囲第１項に記載の固体エリアイメージセンサ。